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前言：TOSCA Structure軟件概述

為了適應愈加殘酷的市場競爭環境以及工業產品技術發展的要求，產品的開發周期變得越來越短，而其復雜程度卻越來越高。在這種情況下，借助結構優化軟件工具能夠起到縮短開發周期、節約開發成本和提高產品質量的作用，從而達到全面提升企業競爭力目的。TOSCA Structure系統是德國Fe-design公司開發的目前在國際上處于領先地位結構優化設計軟件系統，目前已被廣泛應用于汽車、航空、機械制造、加工工業等眾多領域，并被奧迪、寶馬等世界知名公司所采用，作為其進行產品虛擬開發的軟件工具。自6.2版本起，原有的TOSCA軟件正式更名為TOSCA Structure。

一、TOSCA Structure軟件特點

TOSCA Structure是標準無參結構優化系統，可以對具有任意載荷工況的有限元模型進行拓撲、形狀和加強筋優化。在優化過程中，可以直接使用已經存在的有限元模型。TOSCA Structure進行結構優化的每一迭代過程均在外部求解器中進行結構分析，通過采用眾多業界認可的優化器進行優化求解，從保證了優化結果的高質量。這樣做的另一大優點是用戶可以在自己熟悉的求解器以及前后處理環境下工作，而不需培訓來熟悉另外一個陌生的軟件環境。通過TOSCA Structure內部各程序的相互作用可以完成新產品結構在CAD/CAE系統中從概念到成品的閉環優化設計過程。

圖1.1 TOSCA Structure數據流程圖

二、TOSCA Structure結構優化系統主要模塊

TOSCA Structure結構優化系統由TOSCA Structure.gui、TOSCA Structure.topology、TOSCA Structure.shape，TOSCA Structure.bead，TOSCA Structure.post，TOSCA Structure.smooth，TOSCA Structure.report等幾個模塊組成。以下將分別介紹上述模塊的功能和特點。

TOSCA Structure.topology－拓撲優化模塊

新產品開發過程中的第一步工作是定義概念階段結構的設計原則。該設計原則是指確定基于載荷、位移邊界條件以及可選設計空間內的一個設計解。該設計解在滿足設計要求如強度、剛度或者頻率約束等基礎上是重量最輕或者成本最優的。TOSCA Structure.topology 能夠在給定的可設計空間中，根據指定的所有加載和邊界條件計算出一個最佳的設計方案，該方案即可作為一個設計初始樣機，為后期詳細設計過程打下基礎。

TOSCA Structure.topology模塊的功能特點：

剛度不變前提下的體積最小化；

體積不變前提下的剛度最大化；

頻率滿足設計要求的前提下體積最小化；

體積不變前提下的第一頻率最大化；

具有處理多工況、多目標、多約束問題的能力；

滿足工藝加工要求；

網格自適應優化技術；

材料分布等勢面的VRML, STL 或 FE-表面網格劃分輸；

優化結果可以在TOSCA Structure.smooth中進行進一步處理；

圖2.1 Audi公司汽車聯接臂的拓撲優化設計

TOSCA Structure.shape－形狀優化模塊

概念設計階段的下一階段是設計的改進過程。在應力分析基礎上，對結構的表面幾何形狀進行不斷的修正和改進，直到達到要求的應力水平為止。該過程過去通常采用試做方法手工進行。但是TOSCA Structure.shape模塊可以自動完成該改進過程。現存的需要改進的設計或者前面拓撲優化過程的結果的表面形狀會在有限元分析結果的基礎上進行不斷的改進，直到達到要求的優化目標。

TOSCA Structure.shape模塊的功能特點：

減小應力集中；

改善結構耐久性；

提高自然頻率；

滿足工藝加工要求；

圖2.2連桿形狀優化設計

TOSCA Structure.bead－加強筋優化模塊

TOSCA Structure.bead 采用德國卡爾斯魯厄大學制造發展協會（IPEK）開發的算法庫對金屬板結構進行加強筋優化以提高其剛度和自然頻率或者降低噪音和振動。

TOSCA Structure.bead模塊的功能特點：

提高結構剛度或自然頻率；

減振降噪；

精確確定條紋的高度和寬度；

計算結果清晰明確，能夠被精確制造；

圖2.3 油底殼加強筋優化

TOSCA Structure.smooth－平滑模塊

在虛擬產品開發過程中，需要將優化結果返回到CAD系統中以完成該過程的閉環。TOSCA Structure.smooth可以將優化結果輸出到目前大多數的CAD開發系統中去。該模塊可以從拓撲優化計算結果中得到材料分布的等勢面，然后對該等勢面進行平滑處理，最終得到的光滑優化表面，并可以以幾種不同的數據格式輸出。TOSCA Structure.smooth形狀優化結果也可以以相同的格式被轉化為CAD數據模型。

TOSCA Structure.smooth模塊的功能特點：

拓撲優化結果的材料分布等勢面計算；

外形平滑化并簡化CAD輸出結果數據；

輸出為CAD系統的匹配文件格式；

輸出為快速3D可視化的VRML文件格式；

輸出為用作網格重新劃分和分析的Patran neutral；

TOSCA Structure.shape形狀優化結果輸出及數據簡化；

圖2.4拓撲優化平滑結果與快速加工制造產品

TOSCA Structure.gui－統一界面

TOSCA Structure.gui是最優化設計中用來定義任務、開始運行以及后處理的直觀用戶圖形界面。

TOSCA Structure.gui具有下面的特點：

獨立的Java控件平臺；

從有限元模型中輸入節點和單元體系；

生成TOSCA所需的新的或者改進后的優化參數文件；

樹形結構保證了TOSCA各種功能的快速工作流程和清晰顯示；

定義標準優化任務的框架技術；

具有TOSCA各個模塊間的任務數據傳遞功能；

向不同的后處理器輸出結果；

圖2.5TOSCA Structure.gui統一界面

三、TOSCA Structure 在3D打印應用

案例實操1-懸臂梁結構優化

如圖3.1所示的懸臂梁結構優化，以剛度最大化為目標，45%體積比約束。考慮到加工因素，外層單元在優化迭代中不變，即僅內層結構的單元密度在優化迭代過程中可變。

圖3.1 長懸臂梁結構

在TOSCA軟件中，包括手動命令和自動向導兩種模式設置優化模型。自動向導模式具有易于上手學習、步驟清晰等優點。

在TOSCA Structure.gui下點擊File菜單下的TOSCA.wizard，進入向導標準步驟下的優化模型設置。

步驟1－優化類型。如圖3.2所示，優化類型包括拓撲優化(Topology optimization)、形狀優化(Shape optimization)和加強筋優化(Bead optimization)三類。本算例選擇拓撲優化類型。

圖3.2 步驟1－優化類型

步驟2－模型信息。如圖3.3所示，主要內容為有限元模型輸入文件信息和其它模型信息。本算例選擇在FE-Model中選擇airbeam.inp文件，其余額外信息忽略。

圖3.3 步驟2－模型信息

步驟3－設計變量區域。如圖3.4所示，主要內容為選擇優化區域，缺省為全部單元(ALL_ELEMENTS)，或者采用創建新的單元組方法。本算例選擇全部單元作為設計區域。

圖3.4 步驟3－設計變量區域

步驟4－優化任務。如圖3.5所示，主要內容為定義優化目標與約束條件。缺省優化目標為剛度最大化(Maximize stiffness)。其它優化目標包括基頻最大化(Maximize the lowest eigenfrequencies)、體積最小化(Minimize the volume)。缺省約束條件為體積比約束30.0%，其它約束條件為節點位移約束條件。本算例選擇剛度最大化為目標，體積比約束為45.0%。

圖3.5 步驟4－優化任務

步驟5－凍結區域。如圖7所示，主要內容為定義凍結區域即非參與優化區域。本算例勾選Definea Frozen Area選項，在existing group中選擇frozen_elements.

圖3.6 步驟5－凍結區域

步驟6－拔模制造約束。如圖3.7所示，主要內容為定義拔模制造約束的組、拔模方向等。由于本算例為平面結構，忽略拔模制造約束。

圖3.7 步驟6－拔模制造約束

步驟7－總結。如圖3.8所示，主要內容為上述步驟內容匯總。

圖3.8步驟7－總結

設置完成上述向導步驟后，得到如圖3.9所示的TOSCAStructure.gui界面。在File菜單下點擊Save，保存文件名airbeam.par，其中.par表示單詞參數parameter的縮寫。在界面左邊是參數文件包含的命令，具有Text/Compact/Tree三種顯示模式，分別點擊左小角對應的卡片可在不同模式間進行切換。